一种基于太阳能利用的反射跟踪采光系统

刘晶晶+王天鑫+胡垒军+晁颖+聂天奇

【摘 要】 在提倡绿色低碳环保的能源利用的背景下，为了提高太阳能的利用率，提出了一种反射太阳光的跟踪采光系统的设计方案，本系统由太阳光反射器、太阳能追踪系统和反射器的镀膜三大部分组成。实验测试结果表明，该系统有效地实现了对太阳光的追踪和反射，达到了多楼层建筑北向的全楼层采光、扩大阳光照射面积至低楼层的目的。

【关键词】 反射太阳光 跟踪系统 建筑采光

科学技术的创新使得自控技术日益成熟，据了解，国外已出现一些自动反光系统，可以将阳光反射至指定的地方。德国开发的自动反射镜，已经在波士顿和华盛顿等城市得到实际运用——巨大的椭球面反射镜被安装在楼顶上，为位于高层建筑间的户外广场提供阳光；另外，据英国《星期日泰晤士报》报道，由于受山体遮挡，阿尔卑斯山脚下的维加内拉村每年冬天有将近3个月见不到阳光，2006年，政府耗费巨资安装了一面大型钢制镜子，将阳光反射到小村的广场上，为村庄每天带来至少6小时的阳光。

早在二十世纪二三十年代，人们就已经开始了对建筑采光的研究。但总体上看，以往的研究基本上属于对太阳自然运行规律的被动适应。只有开辟新的思路、积极运用现代科技发展的成果，才有可能在建筑采光方面突破被动适从的局面，从而以一种主动利用的方式去研究和解决日照问题[1]。

但是，无论是在我国还是世界范围内，太阳光在建筑采光的直接利用方面还十分欠缺。在采暖地区，建筑北向和南向，有无光照楼层的采暖能耗差距非常大。本系统达到了从北向引入阳光，使现有多楼层建筑实现北向的全楼层采光、扩大阳光照射面积至现有多楼层建筑南向的低楼层的目的，使房间里的环境明朗且富于光影变化，从而降低北向和低楼层室内采光和空调取暖能耗[2]；替代煤炭、燃气等常规能源，减少污染，保护环境，降低生活成本，进而提高居民的生活质量和水平。

1 方案选定

1.1 反射系统的确定

内凹面由若干个反光镜组构成，每个反光镜组由五面反光镜组成的梯台型的椭球面型反光装置。

1.2 追踪装置的选定

同以单片机为核心的太阳能跟踪装置相比较，本设计技术难度较低，不需要进行编程控制，单使用硬件电路就能满足需要完成追踪任务，因此制作与操作过程也都更为简单，且成本相较于单片机控制太阳能追踪装置更低。由于采光总装置并不需要极为精确的太阳跟踪定位，同时，在现有条件下，采用该设计方案还是一个较为适合稳妥的选择。

1.3 反射器镀膜的选定

反射材料选用Ag-Cu纳米膜玻璃。采用磁控溅射法在玻璃基片上制备纳米Ag薄膜，并在其上镀一层Cu膜作为附着层。

2 方案介绍

针对我国土地资源紧缺、住宅建筑密度大的实际情况[2]，研制开发适用于为高层建筑提供日照的自动跟踪反光系统，应当是解决城市多、高层建筑北向住户全年和低层住户冬季采光问题的一条有效途径。

2.1 反射器的方案介绍

反射器部分的总体设计形状为椭球面型，内凹面由若干个反光镜组构成，每个反光镜组由五面反光镜组成的梯台型。高效太阳能光热转换取决于太阳能聚光系统的高效性。目前主要的太阳能聚光发电系统主要有塔式、碟式、槽式、线性菲涅耳型等。其中，线性菲涅耳反射装置（Linear Fresnel Reflector），简称LFR，此类太阳能发电系统起源于一种光学聚焦系统，该光学系统使用大量平面光学面实现线（带）聚光目的。LFR由多个平面的或轻微弯曲的光学镜面组成，这些光学面被水平或倾斜安装并跟踪反射太阳入射光到长的线性目标吸热器上，所以LFR技术是靠线性带状反射镜阵列，将太阳入射光反射聚集在线性固定吸热器上以加热工质[3]。而在此研究中LFR技术可设想为抛物型槽式反射镜的线性分段聚集化。与抛物型槽式反射技术相同的是，它仍然保持抛物面形状，但是每一镜元不在水平面布置，而是全部组装成椭球面型，即相当于把线性菲涅耳聚光系统的典型示意图中的镜元全部链接起来组装成椭球面型聚光器。图1为线性菲涅耳聚光系统的典型示意。

在线性菲涅耳聚光系统示意图上简单改进成研究产品概念设计示意图，将其他镜元依次拼接成椭球面型反光镜，这样可使聚光材料的使用量最小化，装置面积最小化，聚光效果更好化，利用这种反射聚光的方式，降低室内采光和空调取暖能耗，为背北向提供尽可能多的光照，让背北向的居民享受更多的阳光照射，此外，替代煤炭、燃气等常规能源，减少污染，保护环境，降低生活成本，进而提高居民的生活质量和水平。

2.2 追踪装置的方案介绍

2.2.1 电路设计

该设计装置使用时序电路在不同时间控制步进电机的运行，以达到跟踪太阳的目的。

2.2.2 时钟控制太阳能自动跟踪系统

本设计采用时钟控制跟踪方法控制步进电机的运行以实现对太阳的基本跟踪定位。使用时序电路在不同时间控制步进电机的运行，以一天作为一个循环单位。

（1）系统方案总框图；（见图2）

（2）系统方案论证；时钟控制的选择：采用时钟控制跟踪方法控制步进电机的运行以实现对太阳的基本跟踪定位。该方法只需设计硬件电路即可，不需进行繁琐的编程控制，较为简单易懂，且成本较低。但该方法只能完成较为基础的太阳能跟踪定位，并不是十分精确。考虑到本系统作为采光装置的一个部分，本身并不要求极高的精确度，所以选择时钟控制跟踪方法。当然，如若不需考虑成本和技术因素，完全可以考虑设计更为完善的跟踪系统，例如使用单片机控制或者进行时钟和光电双控制。

时序电路控制的选择：经过分析论证，采用时序电路更适合该系统。时序电路是一种输出不仅与当前的输入有关，而且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输入端加上了一个反馈输入，在其电路中有一个存储电路，其可以将输出的状态保持住。

（3）系统实现；该设计主要由计数器、触发器、寄存器、步进电机等组成。endprint

计数器：

计算方法为：N=ψ/θ；N：每天步进电机所需转动次数；ψ是每天步进电机需要追踪太阳转动的角度；θ为每次步进电机所转动的角度，即步进角计数器用来记录一天中步进电机已经触发脉冲的次数n，当n值到达预定每天脉冲次数N后，计数器清零，步进电机转回到初始位置。

寄存器与触发器：

寄存器：寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。（见图3）

触发器：触发器是一种可以存储电路状态的电子元件。最简单的是由两个与非门，两个输入端和两个输出端组成的RS触发器（见图4）。复杂一些的有带时钟（CLK）段和D（Data）端，在CLK端为高电平时跟随D端状态，而在CLK端变为低电平的瞬间锁存信号的D触发器。

步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进角θ的大小根据实际需要进行设定，通常来说步进角设计越小，装置跟踪效果越好，但同时也会增加能量消耗。（见图5）

（4）设计总结；该设计方案较为简单易懂，虽然对太阳的追踪并不是很精确，但已经足以满足采光装置的需求。该设计舍弃了单片机控制，在降低了精度的同时也降低了技术难度，综合各方面因素考虑，使用时序电路控制步进电机追踪太阳是更为合理的选择。

2.3 镀膜选择介绍

反射过程是整体设计的关键部分，而反射材料的选取关系到入射光的利用率反射光的强弱，因而其选择至关重要。经过检索与对比，决定采用由磁控溅射法制备的Ag-Cu纳米膜玻璃。制备方法是采用磁控溅射法在玻璃基片上制备纳米Ag薄膜，并在其上镀一层Cu膜作为附着层。膜玻璃参数选择：玻璃基片厚度为1.1mm，Ag膜为110.2nm，Cu膜为15nm，此时玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%。

目前，已经开发出很多高反射率的膜材，但这些反射膜价格昂贵，其高反射率具有一定的选择性，因此不适合于太阳能的利用领域。而普通的银镜，虽然价格便宜，但其对太阳光的反射率一般也只能达到92%，目前应用最多的光反射材料是铝膜，其反射率最高也只能达到93%。而Ag-Cu纳米膜玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%[4]。

3 安装方法

该系统成功制作完成后，将固定在大楼某一固定位置，且在那同时或之前，根据安装地点的纬度、气候等各方面具体情况对装置进行预设，主要包括步进角及每天旋转角度等值的设定，简单易操作。然后将反光装置加装在步进电机上，以实现对太阳的全天候追踪定位。

4 实验测试数据分析与实例论证

以青岛地区为例，在未供暖情况下，南向房间有太阳光得热，比北向房间要节能的多，所以南向房间比北向房间室内温度要高5度。室内温度每调高一度，耗能增加6%左右，照我国采暖设计规范，为达到同样的室内温度，同样结构、大小的南北向房间所需热量不一样，北向比南向多5*6%=30%，青岛市的供暖面积为16261万m2，每年需490万吨标准煤，北向供暖面积为8130万m2如果，南北向供暖所需能耗相同，则每年可以节省57万吨标准煤，经过本系统的反射后，太阳光的强度缩减为96.74%，所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以节省54.72万吨标准煤。

工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以少排放143.366万吨二氧化碳，0.46万吨二氧化硫，0.4万吨氮氧化物。

5 结语

中国太阳能产业虽取得爆发式增长和重大技术突破，但是，由于目前仍缺乏领先技术和足够的经济竞争力，中国太阳能产业面临着全球市场竞争加剧的压力和国内市场支撑不足的困扰。因此开发利用太阳能技术成为目前应对我国能源短缺，减轻环境污染的当务之急，本系统的设计也正是因此应运而生。回顾太阳能热水器的发展，最初是何其的简陋，却在极短的时间内形成了如今拥有高技术含量的庞大产业，相信太阳能利用的反射采光系统有着同样的发展潜能和美好前景。

参考文献：

[1]陈向东，金勇.利用自动反光系统解决楼房低层日照的研究[J].山西建筑.2008（9）：56-57.

[2]谢浩.改善居室日照环境[J].住宅科技，2005（1）：45-46.

[3]王丽方.取消日照间距政策，节约土地资源[J].团结，2007（4）：81-82.

[4]菲涅耳太阳能聚光系统几何矢量分析，太阳能学报.

[5]徐勇军，杨晓西，李永梅.《高反射率Ag—CU纳米膜玻璃的制备与表征》.

[6]胡兴岩，刘雪玲.热泵供暖的经济性分析[J].地热能，2005，（1）：22-24.endprint

计数器：

计算方法为：N=ψ/θ；N：每天步进电机所需转动次数；ψ是每天步进电机需要追踪太阳转动的角度；θ为每次步进电机所转动的角度，即步进角计数器用来记录一天中步进电机已经触发脉冲的次数n，当n值到达预定每天脉冲次数N后，计数器清零，步进电机转回到初始位置。

寄存器与触发器：

寄存器：寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。（见图3）

触发器：触发器是一种可以存储电路状态的电子元件。最简单的是由两个与非门，两个输入端和两个输出端组成的RS触发器（见图4）。复杂一些的有带时钟（CLK）段和D（Data）端，在CLK端为高电平时跟随D端状态，而在CLK端变为低电平的瞬间锁存信号的D触发器。

步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进角θ的大小根据实际需要进行设定，通常来说步进角设计越小，装置跟踪效果越好，但同时也会增加能量消耗。（见图5）

（4）设计总结；该设计方案较为简单易懂，虽然对太阳的追踪并不是很精确，但已经足以满足采光装置的需求。该设计舍弃了单片机控制，在降低了精度的同时也降低了技术难度，综合各方面因素考虑，使用时序电路控制步进电机追踪太阳是更为合理的选择。

2.3 镀膜选择介绍

反射过程是整体设计的关键部分，而反射材料的选取关系到入射光的利用率反射光的强弱，因而其选择至关重要。经过检索与对比，决定采用由磁控溅射法制备的Ag-Cu纳米膜玻璃。制备方法是采用磁控溅射法在玻璃基片上制备纳米Ag薄膜，并在其上镀一层Cu膜作为附着层。膜玻璃参数选择：玻璃基片厚度为1.1mm，Ag膜为110.2nm，Cu膜为15nm，此时玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%。

目前，已经开发出很多高反射率的膜材，但这些反射膜价格昂贵，其高反射率具有一定的选择性，因此不适合于太阳能的利用领域。而普通的银镜，虽然价格便宜，但其对太阳光的反射率一般也只能达到92%，目前应用最多的光反射材料是铝膜，其反射率最高也只能达到93%。而Ag-Cu纳米膜玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%[4]。

3 安装方法

该系统成功制作完成后，将固定在大楼某一固定位置，且在那同时或之前，根据安装地点的纬度、气候等各方面具体情况对装置进行预设，主要包括步进角及每天旋转角度等值的设定，简单易操作。然后将反光装置加装在步进电机上，以实现对太阳的全天候追踪定位。

4 实验测试数据分析与实例论证

以青岛地区为例，在未供暖情况下，南向房间有太阳光得热，比北向房间要节能的多，所以南向房间比北向房间室内温度要高5度。室内温度每调高一度，耗能增加6%左右，照我国采暖设计规范，为达到同样的室内温度，同样结构、大小的南北向房间所需热量不一样，北向比南向多5*6%=30%，青岛市的供暖面积为16261万m2，每年需490万吨标准煤，北向供暖面积为8130万m2如果，南北向供暖所需能耗相同，则每年可以节省57万吨标准煤，经过本系统的反射后，太阳光的强度缩减为96.74%，所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以节省54.72万吨标准煤。

工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以少排放143.366万吨二氧化碳，0.46万吨二氧化硫，0.4万吨氮氧化物。

5 结语

中国太阳能产业虽取得爆发式增长和重大技术突破，但是，由于目前仍缺乏领先技术和足够的经济竞争力，中国太阳能产业面临着全球市场竞争加剧的压力和国内市场支撑不足的困扰。因此开发利用太阳能技术成为目前应对我国能源短缺，减轻环境污染的当务之急，本系统的设计也正是因此应运而生。回顾太阳能热水器的发展，最初是何其的简陋，却在极短的时间内形成了如今拥有高技术含量的庞大产业，相信太阳能利用的反射采光系统有着同样的发展潜能和美好前景。

参考文献：

[1]陈向东，金勇.利用自动反光系统解决楼房低层日照的研究[J].山西建筑.2008（9）：56-57.

[2]谢浩.改善居室日照环境[J].住宅科技，2005（1）：45-46.

[3]王丽方.取消日照间距政策，节约土地资源[J].团结，2007（4）：81-82.

[4]菲涅耳太阳能聚光系统几何矢量分析，太阳能学报.

[5]徐勇军，杨晓西，李永梅.《高反射率Ag—CU纳米膜玻璃的制备与表征》.

[6]胡兴岩，刘雪玲.热泵供暖的经济性分析[J].地热能，2005，（1）：22-24.endprint

计数器：

计算方法为：N=ψ/θ；N：每天步进电机所需转动次数；ψ是每天步进电机需要追踪太阳转动的角度；θ为每次步进电机所转动的角度，即步进角计数器用来记录一天中步进电机已经触发脉冲的次数n，当n值到达预定每天脉冲次数N后，计数器清零，步进电机转回到初始位置。

寄存器与触发器：

寄存器：寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。（见图3）

触发器：触发器是一种可以存储电路状态的电子元件。最简单的是由两个与非门，两个输入端和两个输出端组成的RS触发器（见图4）。复杂一些的有带时钟（CLK）段和D（Data）端，在CLK端为高电平时跟随D端状态，而在CLK端变为低电平的瞬间锁存信号的D触发器。

步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进角θ的大小根据实际需要进行设定，通常来说步进角设计越小，装置跟踪效果越好，但同时也会增加能量消耗。（见图5）

（4）设计总结；该设计方案较为简单易懂，虽然对太阳的追踪并不是很精确，但已经足以满足采光装置的需求。该设计舍弃了单片机控制，在降低了精度的同时也降低了技术难度，综合各方面因素考虑，使用时序电路控制步进电机追踪太阳是更为合理的选择。

2.3 镀膜选择介绍

反射过程是整体设计的关键部分，而反射材料的选取关系到入射光的利用率反射光的强弱，因而其选择至关重要。经过检索与对比，决定采用由磁控溅射法制备的Ag-Cu纳米膜玻璃。制备方法是采用磁控溅射法在玻璃基片上制备纳米Ag薄膜，并在其上镀一层Cu膜作为附着层。膜玻璃参数选择：玻璃基片厚度为1.1mm，Ag膜为110.2nm，Cu膜为15nm，此时玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%。

目前，已经开发出很多高反射率的膜材，但这些反射膜价格昂贵，其高反射率具有一定的选择性，因此不适合于太阳能的利用领域。而普通的银镜，虽然价格便宜，但其对太阳光的反射率一般也只能达到92%，目前应用最多的光反射材料是铝膜，其反射率最高也只能达到93%。而Ag-Cu纳米膜玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%[4]。

3 安装方法

该系统成功制作完成后，将固定在大楼某一固定位置，且在那同时或之前，根据安装地点的纬度、气候等各方面具体情况对装置进行预设，主要包括步进角及每天旋转角度等值的设定，简单易操作。然后将反光装置加装在步进电机上，以实现对太阳的全天候追踪定位。

4 实验测试数据分析与实例论证

以青岛地区为例，在未供暖情况下，南向房间有太阳光得热，比北向房间要节能的多，所以南向房间比北向房间室内温度要高5度。室内温度每调高一度，耗能增加6%左右，照我国采暖设计规范，为达到同样的室内温度，同样结构、大小的南北向房间所需热量不一样，北向比南向多5*6%=30%，青岛市的供暖面积为16261万m2，每年需490万吨标准煤，北向供暖面积为8130万m2如果，南北向供暖所需能耗相同，则每年可以节省57万吨标准煤，经过本系统的反射后，太阳光的强度缩减为96.74%，所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以节省54.72万吨标准煤。

工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以少排放143.366万吨二氧化碳，0.46万吨二氧化硫，0.4万吨氮氧化物。

5 结语

中国太阳能产业虽取得爆发式增长和重大技术突破，但是，由于目前仍缺乏领先技术和足够的经济竞争力，中国太阳能产业面临着全球市场竞争加剧的压力和国内市场支撑不足的困扰。因此开发利用太阳能技术成为目前应对我国能源短缺，减轻环境污染的当务之急，本系统的设计也正是因此应运而生。回顾太阳能热水器的发展，最初是何其的简陋，却在极短的时间内形成了如今拥有高技术含量的庞大产业，相信太阳能利用的反射采光系统有着同样的发展潜能和美好前景。

参考文献：

[1]陈向东，金勇.利用自动反光系统解决楼房低层日照的研究[J].山西建筑.2008（9）：56-57.

[2]谢浩.改善居室日照环境[J].住宅科技，2005（1）：45-46.

[3]王丽方.取消日照间距政策，节约土地资源[J].团结，2007（4）：81-82.

[4]菲涅耳太阳能聚光系统几何矢量分析，太阳能学报.

[5]徐勇军，杨晓西，李永梅.《高反射率Ag—CU纳米膜玻璃的制备与表征》.

[6]胡兴岩，刘雪玲.热泵供暖的经济性分析[J].地热能，2005，（1）：22-24.endprint